Intec: Technology Solutions for the Minerals Processing Industry

13 downloads 321 Views 2MB Size Report
minerals processing industry is looking to new technologies that offer a means of ... The Intec Process has emerged as a technology breakthrough with the ability ...
Intec: Technology Solutions for the Minerals Processing Industry  Adapted from a technical paper prepared for the International Minerals Processing Congress 2010 

 

 

INTRODUCTION    Having already incurred the often significant costs of mining a base or precious metal ore, there are four key  factors that impact the economics of the beneficiation of that ore to a concentrate product, and therefore the  economics of the whole operation.  These are:   • the total recovery of payable metal from the ore to the concentrate,   • the grade of the concentrate product,  • the by‐product credits, and    • the contaminant penalties.             Depending  on  the  mineralogy  of  the  ore  and  the  metallurgy  of  the  beneficiation  process,  these  factors  can  individually or collectively determine whether an ore body is worth developing or must wait for advances in  technology to become economic.    The most common beneficiation techniques for gold, silver, copper, lead, zinc and nickel ores involve crushing  and  grinding  to  liberate  the  preferred  minerals,  followed  by  either  froth  flotation  or  gravity  separation  to  selectively divert those minerals into a concentrate product.     Under  theoretical  ideal  conditions,  these  techniques  should  yield  100%  of  the  selected  mineral  (such  as  chalcopyrite, galena or sphalerite) to a pure concentrate product, while disposing 100% of the gangue minerals  (such  as  pyrite  or  arsenopyrite)  to  a  tailings  slurry  for  disposal.      However,  in  reality,  ore  bodies  in  the  real  world are seldom so neat, because of their mineralogy (example, finely dispersed gold in ‘solid solution’ in a  pyrite  matrix),  and/or  because  the  mechanics  of  the  beneficiation  technique  such  as  flotation  are  not  100%  selective for the mineral of choice.     As  a  result,  concentrate  products  can  become  diluted  with  gangue  (reducing  the  grade,  which  can  in  turn  negatively  affect  the  payment  terms  for  the  concentrate)or  by‐product  minerals  (for  which  sale  terms  will  offer less or zero value); or can become contaminated with deleterious elements (such as arsenic) that attract  penalties in typical concentrate sales contracts.  

Typical  ore  beneficiation  technologies  require  compromises  between  these  four  factors  to  yield  the  best  economic outcome, such as accepting lower recoveries (as example) to push the grade up to minimum smelter  requirements or to minimise contamination with penalty elements.     Prior to commencing operations, miners will determine a ‘grade‐recovery curve’, which plots the sacrifice of  metal  recovery  in  order  to  achieve  the  optimum  product  grade  and  recovery.  Every  tonne  of  otherwise‐ payable metal lost to tailings represents a tonne of metal for which the operator has paid to mine, mill, and  process, but for which it gains no value – money literally thrown away. Moreover, that metal disposed to the  tailings represents an ongoing management cost and environmental liability for the hazard posed by leaching  mine tailings.    As  discoveries  of  large,  near‐surface  ore  bodies  with  ‘relatively  simple  ’  mineralogy  and  metallurgy,    are  becoming less common (particularly in politically stable regions in reasonable proximity to sales markets), the  minerals processing industry is looking to new technologies that offer a means of more efficiently exploiting  known resources, which have previously been uneconomic. It is also looking for technologies that can recover  the sometimes significant lost value remaining in former tailings dams.    The Intec Process has emerged as a technology breakthrough with the ability to unlock value from resources  that  produce  low‐grade,  polymetallic  or  contaminated  concentrates.  These  products  would  typically  attract  poor sales terms from smelter customers, or in many cases would  be  altogether  unsaleable.  For  the  purposes  of  this  paper,  such  concentrates  and  the  ores  from  which  they  are  sourced  will  be  described as ‘secondary resources’.    The  Intec  Process  is  a  family  of  patented  hydrometallurgical  technologies  for  the  recovery  of  base  and  precious  metals  from  sulphide  and  oxide  feedstocks.  It  is  based  on  the  use  of  halide  (chloride,  bromide  and/or  iodide)  chemistry  to  solubilise  metals  through  the  leaching  process,  followed  by  the  recovery  of  high  purity metals by electrowinning or as intermediate products.    In addition, the application of the Intec Process has been expanded  over the last couple of years, into the commercial‐scale recycling of  heavy  metals  from  industrial  waste  waters,  sludges,  and  filter  residues. This technology and know‐how is directly applicable back  to the recovery of heavy metals from mine tailings dam and acid‐ mine‐drainage  overflows,  as  an  alternative  to  conventional  lime  treatment  that  could  offer  many  mines  an  economic  and  environmental solution to this problem.   

THE INTEC PROCESS   

The Intec Process Technology  The Intec Process is applicable to the extraction and recovery of gold, silver, copper, zinc, lead, silver, nickel,  indium  and  a  range  of  other  metals  from  mineral  concentrates.  All  of  these  applications  share  a  common  principal chemistry, although the optimum electrolyte composition and process conditions will vary according  to the relative levels of the primary, co‐product and by‐product metals.    For the purposes of this paper, the application of the technology for recovery of LME Grade A copper metal as  the primary product, with by‐product gold, silver, lead and zinc will be discussed. An example flowsheet of the  process  is  shown  in  Figure  1.  Fewer  or  additional  unit  operations  may  be  required  depending  on  feedstock  characteristics.     

CARBON COLUMN FOR GOLD

GOLD BULLION FURNACE

LIMESTONE COPPER CONCENTRATE (P8030 °C 

Rapid leaching behaviour 

Cu 

75‐85 °C 

Rapid leaching behaviour 

Cu2S  CuS  CuFeS2  Cu5FeS4  Cu3AsS4  Cu8As2S7  4Cu2S•Sb2S3 

By‐Product Credit Metals Recovery Options  The  process  steps  required  to  recover  by‐product  metals  such  as  gold,  silver,  indium  and  bismuth  can  vary  significantly,  depending  on  the  concentration  of  the  metals  in  the  feedstock  and  their  relative  value  to  any  particular project. 

Where  the  by‐product  contents  and/or  values  are  comparatively  low,  the  chosen  recovery  methods  will  be  simpler, producing lower‐grade products at lower operating cost to maximise overall profitability. Conversely,  where  the  by‐product  contents  and/or  values  are  comparatively  higher,  there  is  value  in  using  more  sophisticated techniques to recover higher‐value products, in many cases in metallic form.    As the methodology can vary quite significantly based on the individual project needs, this discussion provides  only a rough guide to the process options available for by‐product metal recovery.    Gold  Gold  recovery  from  Intec  Process  leach  liquors  is  achieved  using  activated  carbon  or  ion‐exchange  resins  in  packed columns. These columns are contacted with clear leach solution advancing from the cupric thickener,  where the oxidation‐reduction potential is sufficient to maintain the gold in solution.     The  activated  carbon  can  be  saturated  with  gold  and  then  ashed  to  recover  gold  metal.  Alternatively  the  loaded  activated  carbon  is  stripped  using  conventional  cyanide  or  thiourea  reagents  and  the  eluted  gold  is  electrowon. The eluted carbon is then reactivated as required, and returned to the process. Test results have  shown  that  re‐activation  is  not  required  for  at  least  five  cycles.  The  latter  route  is  also  applicable  to  ion‐ exchange resins.    Silver  The  liquor  exiting  the  gold  recovery  stage  (or  directly  exiting  the  leach,  if  gold  recovery  is  not  required)  is  advanced to another series of columns containing selective silver adsorption resins developed primarily for the  Intec Process. The loaded silver is stripped using acid, with the silver precipitated as a chloride for direct sale or  smelted to produce silver metal. The barren adsorbent is returned to the process.    For solutions containing cuprous ions, i.e. when a counter‐current leach design is used, the silver is recovered  using copper amalgamation promoted by trace mercury. A stoichiometric amount of reducing agent is added  to the solution, such as copper dendrites from the electrowinning cell, to control the potential of the solution.    Zinc and Lead  Zinc and lead are normally present in minor amounts in  copper feedstocks. Depending on the economics of the  project, zinc and lead are typically precipitated as mixed  hydroxides  using  lime.  Selective  recovery  is  possible  if  sufficient amounts of zinc or lead are present.     Of  course,  in  feedstocks  where  lead  or  zinc  represent  the primary  value  in the concentrate, variations  of the  Intec  Process  can  be  applied  to  directly  electrowin  these  metals  as  high  purity  metal  product  rather  than  as  mineral  intermediates.  The  choice  of  by‐product  recovery method is a compromise between incremental  by‐product value and incremental operating cost.   

Copper Halide Electrowinning  Intec  has  developed  a  copper  electrowinning  cell  specifically  for  mixed‐halide  electrolyte  systems.  The  technology can be adapted for specific project requirements, and a such the description below is indicative of  a typical cell.     The  cell  is  divided  into  two  compartments  via  a  porous  diaphragm  (eg  conventional  filter  cloth).  The  feed  solution  is  directed  to  the  cathode  compartment,  where  metallic  copper  dendrites  are  electrowon  onto  a  patented corrugated titanium cathode (Reaction 13). The depleted solution passes through the diaphragm into  the  anode  chamber,  where  NaBrCl2  is  generated  at  the  anode  (Reaction  14).  Some  pictures  of  the  titanium  cathode (wiped and un‐wiped), copper dendrite, as well as the conveyor are given in Figure 2.  

 

 

 

 

 

Figure 2: (TOP LEFT) Titanium corrugated cathode, (TOP RIGHT) Dendrite, (BOTTOM LEFT) Un‐wiped titanium cathode, (BOTTOM  RIGHT) Copper dendrites being removed from the EW cell by conveyor belt 

  RXN 13  Cathode    CuCl Î Cu(s) + Cl‐ + 2e‐    RXN 14  Anode   NaBr + 2Cl‐ + 2e‐ Î NaBrCl2  ________________________________________    RXN 15  Overall  2CuCl + NaBr Î Cu(s) + NaBrCl2    The  sodium  bromo‐chlorine complex called HalexTM is  a dissolved species with a low vapour pressure.  Halex  behaves like chlorine gas in terms of oxidation power and chemistry, but with obvious considerable handling  advantages compared to a gas. It has a potential of around +1,000 mV (vs Ag/AgCl) and is highly reactive. As a  liquid,  the  oxidant  is  easily  recycled  to  the  leach  circuit,  where  it  is  more  easily  utilised  than  a  gas.  Halex  enhances the leaching of refractory minerals, which often host gold.     Intec  has  operated  a  number  of  cells  ranging  from  laboratory  scale  to  the  full  commercial  1  tonne  per  day  scale.  Larger  plants  would  use  multiples  of  the  1  tonne  per  day  cell.  The  nominal  operating  conditions  are  summarised in Table 3.     Table 3: Summary of Parameters for Copper Electrowinning Using the Intec Cell 

Parameter  Current Density  Cell voltage  Cell efficiency  Metal Purity  Electrodes per bath 

Value  500‐1,000 A/m2  2.4‐3.2 V  >98 %  LME Grade A   32 

Comment  Average in sulphate EW is 400 A/m2       

  The  key  advantages  of  the  Intec  Process  cell  compared  to  copper‐sulphate  electrowinning  cells  are  summarised below: 





• •

When producing copper  dendrites  as  product,  these are removed  in‐situ  using  a wiper  mechanism  and a conveyor belt. This eliminates the cost of cathode removal and stripping, allowing continuous  production;  Three  times  the  average  current  density  of  a  sulphate  cell  is  used  in  the  Intec  Process,  thereby  significantly  reducing  the  overall  tankhouse  foot  print.  The  copper  production  rate  is  up  to  eight  times that of a conventional sulphate cell;  The  Intec  Process  cell  can  be  fed  with  cuprous  (Cu+)  ions,  thereby  reducing  the  overall  energy  requirements;  The  oxidant  (HalexTM)  generated  at  the  anode  is  re‐used  in  the  leach  circuit,  whereas  the  oxygen  from the sulphate cell anode is wasted to the atmosphere. This also means that the electrical energy  applied to the cell is fully recovered as copper metal and leach reagent. 

  The copper dendrites are washed and converted to oxygen‐free copper wirerod, which attracts a premium of  typically  4‐8%  over  LME  A  grade  cathodes.  Intec  has  successfully  drawn  8mm  wirerod,  produced  from  electrowon copper dendrites, to 0.1mm magnet wire, which meets normal wire standards.    For  some  projects  (typically  those  of  small  scale),  economic  considerations  dictate  that  a  cupric  leach  is  preferred. The electrowinning cell can be operated using Cu2+ ions, with the only detrimental impact being a  higher energy demand.    

USING THE INTEC PROCESS TO UNLOCK SECONDARY RESOURCES   

Low Grade Resources  While the Intec Process offers a cheaper and cleaner alternative to smelting for conventional high‐grade, low  contamination concentrates, the technology’s key competitive advantage lies in the prospect to unlock value  from  secondary  resources,  particularly  those  which  are  undervalued  due  to  the  inability  to  economically  develop them via conventional technology and product sales avenues.    As the Intec Process can economically treat and achieve high recoveries (>98%) of high‐purity metal products  from concentrates that fall below saleable smelter grade (as example 10‐15% Cu; 30‐45% Zn; 30‐50% Pb; or  20‐30% Cu+Pb+Zn), this raises the possibility for the miner to re‐evaluate the product decision process from  the grade recovery curve (Figure 3) for its orebody. 

Figure 3: Nominal grade recovery curve for lead recovery from the Hellyer tailings retreatment operation 

 

Taking  NSW  and  Queensland  base  metals  mines  and  resources  as  example,  many  of  these  resources  (both  developed  and  undeveloped)  need  to  sacrifice  recovery  to  achieve  single‐metal,  high‐grade  concentrate  products.  To  achieve  25%  copper  concentration  in  the  concentrate,  a  miner  may  need  to  sacrifice  recovery  down to, say, 60%. In other words, to achieve smelter grade product, the miner is throwing away 40% of the  contained (primary) metal value. By changing the set‐point in the flotation recovery process and accepting the  inclusion of more gangue, the product grade could be dropped to 15% copper in concentrate, raising the total  metal recovery from the ore to 90%.    A calculation using the assumptions above shows that, for a miner  processing one million tonnes of ore at 5% copper, it could produce  120,000tpa  of  25%  copper  concentrate  at  60%  ore‐to‐concentrate  recovery  (losing  20,000tpa  of  contained  copper  to  tailings),  or  300,000tpa  of  15%  copper  concentrate  at  90%  recovery.  The  15,000tpa  difference  in  contained  copper  at  the  current  copper  price  of  around  A$7,000/t  and  a  smelter  payment  of  75%  of  the  contained  metal  value  yields  the  miner  extra  revenues  of  A$79  million  per  annum,  an  increase  of  50%.  Of  course,  this  is  a  highly  simplified  version  of  the  complex  arrangements  that  underpin  minerals  processing  production,  transport  and  smelter  sales  economics, and is indicated for demonstrative purposes only.     The example above is a copper concentrate, but the Intec Process is  well suited to the full range of single and polymetallic base metals,  plus gold, silver and other metals. Around Australia, just a couple of  the  resources  to  which  the  Intec  Process  could  add  value  include  Macarthur River, Lady Loretta, Dugald River and Browns.    Given  that  the  miner  pays  to  dig,  grind  and  process  the  same  amount of ore in either case, and given that the incremental cost of  producing  the  lower  grade  concentrate  will  be  moderate  (higher  filtration  costs,  but  lower  reagents  expenditures,  etc),  then  the  additional  recovered  value  effectively  represents  a  substantial  windfall  to  the  miner when using the Intec Process.    

Polymetallic and Contaminated Resources  Standard  concentrate  sales  contracts  include  discounted  payment  terms  for  by‐product  metals,  and  penalty  clauses for deleterious contaminants. A standard copper concentrate contract, as example, will offer little or  no value for any contained lead.   For  this  reason,  it  is  very  common  for  miners  of  polymetallic  resources  to  try  to  produce  two  (or  more)  separate  concentrates,  one  high  in  copper,  gold  and  silver,  the  other  high  in  zinc  and  lead.  In  doing  so,  the  miner  inevitably  sacrifices  recovery  between  the  two  products,  and  very  commonly  ends  up  with  low  to  moderate  levels  of  ‘cross‐contamination’  of  product  metals  as  low‐value  by‐products  into  each  other  concentrate.    By contrast, the ability of the Intec Process to co‐treat the metals for high recoveries from a single polymetallic  feedstock  removes  this  problem  for  the  miner,  allowing  simpler  (and  therefore  cheaper)  beneficiation  operations,  with  higher  overall  metal  recoveries  and  full  recovered  value  for  the  metals  in  the  polymetallic  concentrate product.    Contaminant elements such as arsenic do not pose the environmental challenge to the Intec Process that they  do  to  high‐temperature  smelting.  The  Intec  Process  does  not  suffer  from  the  hazard  and  associated  environmental control costs associated with airborne arsenic, and therefore the processing costs for arsenic‐ bearing  concentrates  is  much  lower.  Furthermore,  as  the  ferric  arsenate  produced  by  the  Intec  Process  is  inherently  stable  (being  equivalent  to  the  naturally‐occurring  mineral,  scorodite),  the  operation  does  not  suffer  the  substantial  additional  costs  of  stabilising  the  arsenic  residue  prior  to  disposal.  The  ability  to 

economically  treat  arsenic  in  concentrate  is  a  particular  advantage  for  gold  and  copper‐bearing  mineral  feedstocks, in which arsenic is a common contaminant.   

Mine Tailings  A significant potential application of the Intec Process is the extraction and recovery of metals from retreated  mine  tailings.  Tailings  dams  have  the  advantage  that  they  are  found  at  surface,  and  are  easy  and  cheap  to  mine. However, having already been processed once, it is often very difficult to reapply standard beneficiation  techniques to achieve smelter‐grade products, and in doing so then overall metal recoveries can be very poor.     This is the same problem described above for metallurgically‐difficult ores, and the outcomes are the same.  Taking the Hellyer mine tailings dam in Tasmania as example, Intec purchased the asset from the receivers of  Western  Metals  in  2004,  and  operated  the  existing  Hellyer  mill  and  concentrator  during  2006‐2008  to  reprocess the tailings to produce a zinc/lead concentrate. At a minimum grade of 48% Zn + Pb, zinc recoveries  were acceptable (around 70%), but lead recoveries were very poor at 15%.    Testwork  showed  that  without  interrupting  the  existing  concentrate  production,  the  mill  operation  could  be  adjusted at minor cost to produce a second concentrate product from the ‘rougher tails’ (the process stream  immediately  prior  to  disposal).  This  ‘intermediate  lead  concentrate’,  at  15%  Pb  concentration,  allowed  the  total  lead  recoveries  to  be  increased  from  15%  to  over  65%.  While  this  intermediate  product  would  not  be  saleable  to  a  smelter  at  that  grade,  it  represents  an  acceptable  feedstock  for  the  Intec  Process.  The  same  model  is  equally  applicable  to  other  operations,  and  has  generated  significant  interest  within  the  Australian  minerals industry.    Unfortunately, due to the adverse circumstances of the global financial crisis and the collapse of international  metals prices, Intec was forced to sell its Hellyer assets before it had the chance to implement the technology  for improved site operations.   

Mine Tailings Water  As  a  hydrometallurgical  technology,  the  principles  of  the  Intec  Process  described  above  invoke  the  extraction  of  metals  into  solution from mineral feedstocks, followed by the recovery of those  metals either in elemental form or as chemical compounds.    Mine  tailings  water  and  tailings  overflows  are  effectively  equivalent,  except  in  a  slower  and  more  dilute  form.  With  the  presence  of  leachable  minerals  and/or  minerals  that  create  conditions  amenable  to  mineral  leaching,  particularly  acid‐ generating  pyrite,  mine  tailings  waters  commonly  accumulate  metals that, if left unregulated, would cause adverse effects on the  environment – particularly copper, lead and zinc.     In most operations, these metals are present due to inefficiencies in  the  primary  operation,  and  the  management  of  the  negative  environmental effects thus represents a second cost in addition to  the economic losses associated with their disposal to tailings.    A  common  practice  is  to  add  alkali  to  the  tailings  dam  water  to  counter the effects of acid generation and to raise the pH to around  8‐9,  at  which  pH  range  many  of  the  target  metals  become  less  soluble and precipitate as unstable metal oxides and hydroxides. However, in addition to this being costly in  labour, reagents and monitoring, a single acid event due to loss of pH control can cause a bulk redissolution of  metals and a spike in the concentrations in the dam overflow, with resulting negative environmental effects.   

An alternative is to apply aspects of the Intec Process to capture and recover the metals as sulphide mineral  products, which can then be either mixed with the outgoing product from the mill, or can be fed with the ore  to the beginning of the mill process circuit. Either way, the result is that the metals are recovered in saleable  form,  offsetting  the  tailings  management  costs,  and  eliminating  these  recovered  metals  as  long‐term  environmental legacies.     Many  operations  have  existing  tailings  water  treatment  facilities  to  manage  the  overflows,  and  the  Intec  Process metal recovery circuits could be easily retrofitted to this  existing  equipment. Equivalent commercial  metals recovery to mineral concentrate product is currently being operated at Intec’s Burnie operating facility  in Tasmania.   

CONCLUSIONS  The  Intec  Process  has  been  proven  as  a  means  of  unlocking  value  from  secondary  resources:  mineral  concentrates that are low‐grade, polymetallic and/or contaminated, for which the economics of production for  smelter customers is sub‐optimal or unviable.    Intec is currently working on or considering a range of projects utilising the Intec Process for this purpose. In  some  cases,  the  application  of  the  Intec  Process  means  the  difference  between  being  able  to  economically  exploit a stranded resource or continuing to leave such a resource undeveloped.